金温铁路汤村隧道穿越富水断层带施工技术

2015-06-01郭智刚鲁良武

铁道建筑 2015年8期

郭智刚，鲁良武，龙亮

(1．上海应用技术学院轨道交通学院，上海 201418;2．中铁上海工程局集团有限公司，上海 200000; 3．中铁上海工程局集团第一工程有限公司，安徽芜湖 241000)

金温铁路汤村隧道穿越富水断层带施工技术

郭智刚1，鲁良武2，龙亮3

金温铁路汤村隧道穿越软弱地层，隧址区断层发育，涌水量大。施工时采取了洞内超前预注浆加固止水、洞身段长管棚超前预支护措施。通过规范施工工序，加强各工序的过程控制，坚持“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、快反馈”的原则并严格按照三台阶四步开挖法组织施工，成功穿越富水软弱地层。

铁路富水断层特长隧道施工技术

1 工程概况

金温铁路汤村隧道起止里程DK14+380—DK24 +025，全长9 645 m。在DK17+367线路右侧设置长550 m的双车道无轨运输1#斜井，在DK20+090线路左侧设置长1 085 m的双车道无轨运输 2#斜井，在DK23+130线路右侧设置长230 m的双车道无轨运输3#斜井。其中:Ⅱ级围岩5 295 m，占全隧 55%;Ⅲ级围岩1 830 m，占全隧19%;Ⅳ级围岩1 840 m，占全隧19.1%;Ⅴ级围岩680 m，占全隧 6.9%。隧址区断层十分发育，与隧道呈不同角度相交，直接影响隧道围岩分级，整个隧道共18条断层。其中F4断层影响最大，其正常涌水量达416 m3/d。

F4断层在地表 DK16+660处与线路相交，夹角约为58°，断层地表特征明显，发育为U字形沟谷，谷中泉水、水塘线状分布，沟谷下游为三汶塘水库。断面为舒缓波状，延伸较远，局部见石英岩。推测为先张后压断层，产状260°∠75°。本段洞身埋藏浅，经钻孔抽水试验浅部渗透系数达48.7 m/d，受地表水补给的可能性很大。物探资料显示，断层影响带宽约220 m，电阻率一般为100～300 Ω·m，推测断层富水性较强。根据钻孔揭示，埋深15～17 m处岩芯破碎，糜棱岩化。

2 施工技术难点

三汶塘附近有座大水库，常年有库存水，水库深度和面积较大，而且水库附近就是隧道下穿的方向，又受F4断层带影响，在该段范围内隧道埋深最小为24 m，对施工扰动必须严格控制，

区间隧道围岩属于软弱围岩，节理裂隙发育，控制扰动和变形极其困难。首先是隧道开挖后，大量地下水渗入隧道，导致围岩失水固结，地表下沉，给周围水库带来极大的危害。其次是地下水渗透对围岩产生软化作用，围岩由硬塑变为软塑，甚至变为流塑状态，产生大变形而丧失稳定性。由于地下水的渗透作用，工程所处位置没有降水作业条件。因而，地下水的控制显得非常重要且极为困难。施工时，必须采取严格措施控制，防止产生大变形及坍塌。

3 隧道施工技术

F4断层与三汶塘水库存在水力联系，与隧道正洞相交于DK16+644附近，DK16+660—DK16+600段为Ⅴ级围岩，按设计要求对隧道洞内加固圈3 m进行超前预注浆止水，对洞身段施作 φ89 mm长管棚超前预支护，采取三台阶四步开挖法。

3.1 加固圈超前预注浆

为防止大量渗水发生，提前5 m于DK16+665处进行加固圈超前预注浆施工［7-11］。超前注浆对钻孔角度要求高，工序要求严格。超前预注浆施工工艺流程如图1所示。

3.1.1 钻孔施工

测量班根据孔口坐标在掌子面上用红油漆标出，并且注明孔号。孔口位置与设计位置的容许偏差为±5 cm，孔底位置偏移应＜30 cm。利用钻机首尾坐标差值控制竖直角及水平角，如图2所示。

图1 超前预注浆施工工艺流程

图2 钻机角度示意

钻孔按先外圈后内圈并以间隔钻孔的方式进行。首先钻外圈孔51，53，55，…，之后再钻52，54，56，…，然后再钻内圈孔，加固圈布孔如图3所示。在钻孔过程中，后序孔可检查前序孔的注浆效果，根据注浆效果调整注浆参数。

3.1.2 浆液配比

浆液配比是决定注浆效果的一个关键因素。根据涌水量大小和进浆情况确定不同浆液配比。当注浆孔涌水量＜30 L/min时，选用纯水泥浆;当注浆孔涌水量在30～200 L/min范围内，选用凝胶时间为4～6 min的浆液;当注浆孔涌水量＞200 L/min，选用凝胶时间为3～4 min的浆液。

图3 加固圈超前预注浆示意(单位:cm)

3.1.3 注浆方法

注浆采用后退式分段注浆，即将气囊式止浆塞放入注浆孔内，通过输气设备，使止浆塞膨胀，和岩体形成一个协同作用的整体。后退式分段注浆分段长度为5～10 m，第一注浆段完成后，后退止浆塞至下一注浆段预定位置进行第二段注浆，如此循环，直至该孔注浆完成。

注浆前，要在类似地质条件下的岩层中进行注浆试验，以便掌握有关的注浆参数。注浆作业按照钻孔出水→测水压水量→压水试验→注浆→扫孔→出水再注浆至设计长度→达到结束标准停止注浆的完整程序进行。注浆管路接通后，先压水2～5 min，检查注浆泵及管路系统工作是否正常。注浆开始将吸浆龙头从清水池中放入各自的浆液池中，即开始注浆;当压力达到终压时，即注浆封孔。注浆结束后，先打开泄浆管阀门，再关闭进浆管阀门，用清水冲洗管路干净为止。

3.2 洞身长管棚施工

洞身超前管棚施作起加固岩体，降低隧道坍塌冒顶等风险的作用。其施工工艺流程见图4。

3.2.1 导向钢架施工

以隧道初期支护型钢钢架为导向钢架，在型钢钢架腹板开圆孔φ110 mm，间距40 cm，钻进过程中控制外插角≤12°。洞身段管棚施工如图5所示。

图4 洞身长管棚施工工艺流程

图5 洞身段管棚施工纵断面示意

3.2.2 钢管制作

钢管采用φ89 mm壁厚5 mm的热轧无缝钢管制作。奇数号采用钢花管，分节长度由孔内向孔外分别为1，3，3，3 m。每节钢管两端采用外车丝扣，丝扣长度为150 mm，并以间距150 mm钻φ10～φ16 mm的注浆孔，钻孔呈梅花形布置，尾部留下不钻孔的止浆段150 cm。偶数号采用钢管，分节长度由孔内向孔外分别为3，3，3，1 m，可保证钢管接头在同一个截面的数量不大于50%。

人工配合挖机将钢管打入钻孔内，钢管边顶进边接长。两根钢管丝扣拧紧连接完成后用电焊将接缝焊接牢固。钢管随挖机顶进逐根接长直至安装完成。挖机与钢管接触位置设置垫板防止顶进时将管端丝扣损坏。

3.3 三台阶四步开挖

洞身段超前长管棚支护施工完成后进行暗洞洞身开挖。F4断层带DK16+600—DK16+660段采用三台阶四步开挖法进洞。开挖顺序为上台①部②部、中台③部、下台④部，仰拱及时跟进。开挖采用小型挖机，人工配合施工，每循环进尺0.6 m。三台阶四步开挖法施工工序见图6。

图6 三台阶四步开挖法施工工序

步骤1:1)利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护;2)弱爆破开挖①部;3)施作①部导坑周边的初期支护，初喷4 cm厚混凝土，架立初期支护钢架，并设锁脚锚管;4)导坑底部及侧面铺设 I18轻型工字钢临时钢架，底部喷20 cm厚混凝土，施作①部临时仰拱，必要时封闭掌子面;5)钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

步骤2:1)在滞后①部一段距离后，弱爆破开挖②部;2)导坑周边部分初喷4 cm厚混凝土，架立初期支护钢架，并设锁脚锚杆;3)导坑底部及侧面铺设I18轻型工字钢临时钢架，底部喷20 cm厚混凝土，施作②部临时仰拱，必要时封闭掌子面;4)钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

步骤3:1)在滞后于②部一段距离后，弱爆破开挖③部;2)导坑周边部分初喷4 cm厚混凝土，架立初期支护钢架，并设锁脚锚杆;3)导坑底部喷8 cm厚混凝土，施作③部临时仰拱;4)钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

步骤4:1)在滞后于③部一段距离后，弱爆破开挖④部;2)初喷4 cm厚混凝土，架立初期支护钢架，并设锁脚锚杆;3)隧道底及周边部分喷混凝土至设计厚度。

步骤5:灌注④部仰拱及隧道仰拱填充，仰拱及隧道仰拱填充应分次施作。

步骤6:分析监控量测结果，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性浇筑二次衬砌。